Классификации композиционных материалов

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, является матрицей. Компонент же прерывный, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим или упрочняющим.

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, а также полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные характеристики: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Более широким понятием, чем армирующий или упрочняющий компонент, является термин «наполнитель», поскольку наполнитель в матрице помимо изменения прочности оказывает влияние и на другие характеристики композиции.

Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице и природе компонентов.

По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяют на три группы (рис. 2.1):

– с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;

– с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превосходит два других;

–с двухмерными наполнителями, размеры которых значительно превосходят третий.

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:

– с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;

– с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя в виде волокон, матов из нитевидных кристаллов, фольги или листов в матрице в параллельных плоскостях;

– с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его распределении.

а) б) в)

Рис. 2.1. Группы композиционных материалов по геометрии наполнения: а – дисперсные (нуль-мерный наполнитель), б – волокнистые (одномерный наполнитель), в – слоистые (двухмерный наполнитель

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

– композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;

– композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;

– композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;

– композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений (эпоксидные, полиэфирные, фенольные и другие смолы).

Свойства композиционных материалов зависят не только от физико- химических свойств компонентов, но и прочности связи между ними. Обычно компоненты для композиционного материала выбирают со свойствами, существенно отличающимися друг от друга.

Композиционные материалы по сравнению с со­временными металлическими конструкцион­ными материалами обнаруживают более высокую удельную жесткость(Е/ρ) и удельную прочность (σ_в/ρ) (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Удельная прочность и удельный модуль упругости алюминия (1), стали и титана (2), стеклопластиков (3), бериллия (4) и некоторых композиционных материалов.

Модуль упругости композиционных материалов может изменяться в требуемом направлении в зависимости от схемы армирования. Высокая надежность в работе конструкций из композиционных материалов связана с особенностями распространения в них трещин. В обычных сплавах трещина развивается быстро и скорость роста ее в период работы конструкции детали возрастает. В композиционных материалах трещина обычно возникает и развивается в матрице и встречает препятствия на границе матрица – упрочнитель. Армирующий элемент тормозит ее распространение, задерживая на некоторое время ее рост.